Sandwichelektrolyt für stabile Batterien

Für die Zukunft von Elektroautos spielen leistungsfähige Batterien eine maßgebliche Rolle. In vielen kleinen Schritten steigern die Hersteller bereits die Speicherkapazität der Batterien. Doch einen wirklichen Durchbruch erwarten Batterieforscher erst mit der kommenden Generation von Lithium-Ionen-Batterien. Hierfür wollen sie zwischen den Polen der Batterie keinen flüssigen, sondern einen festen Elektrolyten verwenden. Allerdings sind solche Batterien derzeit noch nicht stabil genug, um etwa ein Elektroauto über mehrere Jahre mit Strom zu versorgen. Eine Lösung für dieses Problem schlagen Wissenschaftler nun in der Fachzeitschrift „Nature“ vor. Aus mehreren Schichten entwickelten die Forscher einen festen Elektrolyten, der gefährliche Kurzschlüsse verhindert und so die Lebensdauer der Batterie deutlich erhöht.

„Die Lithium-Festkörperbatterie gilt wegen ihrer hohen Speicherkapazität und Energiedichte als Heiliger Gral der Batterieforschung“, sagt Xin Li von der Harvard University in Cambridge. Zusätzlich ließen sich die Ladezeiten solcher Batterien von mehreren Stunden auf 10 bis 20 Minuten reduzieren. Auch wenn Prototypen solcher effizienten Stromspeicher im Labor bereits für kurze Zeit relativ gut funktionieren, lagern sich häufig schon nach einigen Dutzend Ladezyklen auf der Anode Lithiumatome ab. Dadurch bilden sich spitze Stachel – sogenannte Dendriten –, die den Elektrolyten durchstechen und so Kurzschlüsse verursachen können. Um dieses Problem zu lösen, gingen Xin Li und sein Kollege Luhan Ye nun einen ungewöhnlichen Weg.

Die beiden Forscher wollten nicht das Wachstum der Dendriten selbst verhindern, sondern es stattdessen besser kontrollieren. Das gelang ihnen mit einem mehrschichtigen festen Elektrolyten zwischen den beiden Polen der Batterie. Die erste Schicht bestand aus einem lithiumhaltigen Material. Es blieb zwar im Kontakt mit der Lithiumanode stabil, konnte jedoch von den Dendriten durchdrungen werden. Daher ergänzten die Forscher eine zweite Schicht eines Materials aus Lithium, Germanium, Phosphor und Schwefel. Diese Schicht diente als eine Art Schutzwall und blockierte ein weiteres Wachstum der Stachel. „Mit unserem Schichtdesign konnten wir das Wachstum der Dendriten leiten und kontrollieren“, sagt Ye.

Basierend auf diesem Konzept fertigten die Forscher mehrere Prototypen an und führten zahlreiche Versuchsreihen durch. Die Batterien ließen sich nicht nur schnell aufladen, sondern blieben zudem auch nach mehreren Tausend Ladezyklen stabil. Dabei verringerte sich die Speicherkapazität lediglich um knapp 20 Prozent. Doch auch wenn die Batterien stabiler sind, speicherten sie bislang nicht wesentlich mehr Strom als handelsübliche Lithium-Ionen-Batterien. Dennoch – so sind die beiden Experten überzeugt – lassen sich zukünftig mit optimierten Materialien und Fertigungsprozessen noch deutlich höhere Speicherkapazitäten erreichen.